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Die
Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren elektrisch miteinander
verschalteten Einzelzellen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie
mit mehreren elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 15.
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Nach
dem Stand der Technik sind Hochvolt-Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien,
für Fahrzeuganwendungen bekannt, die insbesondere aus mehreren
elektrisch in Reihe und/oder parallel verschalteten Einzelzellen
aufgebaut sind. Dabei können bei bipolaren Einzelzellen
die elektrischen Kontakte, d. h. ein Plus- und ein Minuspol, direkt
auf gegeneinander elektrisch isolierte Teile des Gehäuses gelegt
sein.
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Aus
der
DE 10 2005
042 916 A1 ist einen Lithium-Ionen-Akkumulator bekannt,
welcher aus in einem Aluminiumgehäuse angeordneten Elektrodenstapel
und einem diesen umgebenden Elektrolyt gebildet ist. In dem Elektrodenstapel
sind Separatoren und Elektroden abwechselnd übereinander
gestapelt und fixiert, wobei der Elektrodenstapel an zumindest einer
Seite und/oder Kante zumindest eine Klebung aus einem organischen
Kleber aufweist, die die Elektroden und Separatoren miteinander
verklebt. Weiterhin sind die an entgegengesetzten Enden des Elektrodenstapels
angeordneten Elektroden gleicher Polarität miteinander
verschweißt, wobei die Verschweißung mittels eines
Ultraschweißverfahrens erzeugbar ist. Weiterhin umfasst
die Schrift ein Verfahren zur Herstellung des Elektrodenstapels.
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Weiterhin
offenbart die
US 5
871 861 A1 einen Lithium-Ionen-Akkumulator, welcher aus
einer Vielzahl von Einzelzellen gebildet ist, die gemeinsam mit
einem Elektrolyt in ein Gehäuse eingebracht sind. Die Einzelzellen
sind aus einem Elektrodenstapel gebildet, wobei zwischen positiven
und negativen Elektroden jeweils ein Separator angeordnet ist. Dabei sind über
den Elektrodenstapel hinausragende Enden der Elektroden jeweils
einer Polarität zu einem einzelnen elektrischen Leiter
vorzugsweise mittels eines Wolfram-Inertgas-Schweißverfahrens,
Ultraschallschweißverfahrens oder Hochfrequenzschweißverfahrens
miteinander verschweißt.
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In
der
US 6 908 711 B2 ist
eine elektrochemische Hochleistungs-Energiespeichereinheit beschrieben,
welche zumindest eine stapelbare Batterie umfasst. Diese Batterie
ist aus zumindest zwei Lithiumionen-Einzelzellen gebildet, wobei
jede Einzelzelle wiederum aus einer Bipolarplatte, umfassend eine
Anode, Kathode und einen Stromabnehmer, gebildet ist. Zur Erzeugung
eines Batteriestapels sind die Batterien insbesondere übereinander
angeordnet und elektrisch seriell und/oder parallel verschaltet, wobei
zwischen den Batterien ein Separator angeordnet ist. Zu einer elektrischen
Kontaktierung des Batteriestapels sind Anschlusselemente mit Endplatten
der Batterien verpresst, verschweißt oder gebondet. Schweißverbindungen
sind dabei beispielsweise mittels eines Ultraschall-, Widerstands-
oder Laserschweißverfahrens erzeugbar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem
Stand der Technik verbesserte Batterie und ein gegenüber
dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zu deren Herstellung
anzugeben.
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Hinsichtlich
der Batterie wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch
die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens
durch die im Anspruch 15 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Batterie umfasst mehrere elektrisch
miteinander verschaltete Einzelzellen, welche jeweils aus einem
Elektrodenstapel gebildet sind, dessen einzelne Elektroden unterschiedlicher
Polarität, vorzugsweise Elektrodenfolien, durch einen Separater,
vorzugsweise eine Separatorfolie, voneinander isolierend getrennt
sind, wobei Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander
zu einem Pol verbunden sind. Dabei sind die Elektroden bzw. Elektrodenfolien
vorzugsweise aus Kupfer und/oder Aluminium oder aus einer derartigen
Legierung gebildet. Erfindungsgemäß sind die Pole
des Elektrodenstapels jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen
Gehäuseseitenwand verbunden, wobei die Gehäuseseitenwände
zwischen direkt benachbart angeordneten Einzelzellen als eine gemeinsame
Gehäusetrennwand ausgebildet und die Einzelzellen anhand
dieser elektrisch miteinander verschaltet sind. Aus der Verwendung
einer Gehäusetrennwand für zwei Einzelzellen resultiert
besonders vorteilhafter Weise eine Material- und Kostenersparnis.
Weiterhin sind eine Gewichtseinsparung und geringere Abmessungen
der Batterie erzielbar.
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Die
Zellengehäuse der ersten und/oder der letzten Einzelzelle
sind dabei insbesondere aus einer Gehäuseseitenwand, einer
Gehäusetrennwand und einem zwischen diesen angeordneten,
randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden Rahmen gebildet.
Die Zellengehäuse der verbleibenden Einzelzellen sind aus
zwei Gehäusetrennwänden und einem zwischen diesen
angeordneten, randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden
Rahmen gebildet. Die direkte elektrische Kontaktierung der Einzelzellen über
die Gehäuse- oder Zellseitenwände bzw. Gehäuse-
oder Zelltrennwände ermöglicht es, dass zusätzliche
Anordnungen, wie beispielsweise Zellverbinder, zur elektrischen
Verbindung der Einzelzellen entfallen können. Weiterhin
kann durch die Anordnung des Elektrodenstapels in dem randseitig umlaufenden,
insbesondere elektrisch isolierenden Rahmen in vorteilhafter Weise
eine zusätzliche isolierende Anordnung eingespart werden.
Auch ist die Handhabbarkeit der Einzelzelle ist erleichtert bzw.
sicherer gestaltet.
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Dabei
bildet ein nach außerhalb des Elektrodenstapels geführter
Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie eine Stromableiterfahne,
wobei die Stromableiterfahnen einer Polarität elektrisch
leitend miteinander zu einem Pol verbunden sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Pole des Elektrodenstapels
mit der Gehäuseseitenwand und/oder der Gehäusetrennwand
verpresst und/oder verschweißt. Durch die entstehende stoffschlüssige
Verbindung wird eine elektrisch leitfähige Verbindung mit
einem geringen Übergangswiderstand erzeugt, die eine hohe
Strombelastbarkeit aufweist.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Gehäusetrennwand
aus zumindest zwei form-, kraft- und/oder stoffschlüssig
miteinander verbundenen Blechen gebildet, welche insbesondere aus
einem unterschiedlichen Material gebildet sind. Dabei entspricht
das Material der Bleche insbesondere dem des mit diesem elektrisch
verbundenen Pol des Elektrodenstapels, d. h. Kupfer und/oder Aluminium
oder eine derartige Legierung, so dass zum einen ein geringer Übergangswiderstand
zwischen den Polen und den Gehäu setrennwänden
und zum anderen eine vereinfachte Erzeugung der Schweißverbindung erzielbar
ist.
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Ferner
ist zwischen den Polen des Elektrodenstapels und den Gehäuseseitenwänden
und/oder zwischen den Polen des Elektrodenstapels und den Gehäusetrennwänden
eine separate Folie aus einem Zusatzmaterial angeordnet. Alternativ
ist auf der den Polen des Elektrodenstapels zugewandten Seite der Gehäuseseitenwände
und/oder Gehäusetrennwände eine separate Schicht
aus einem Zusatzmaterial aufgebracht, so dass die Anbindung der
Polkontakte an die Gehäuseseitenwände bzw. die
Gehäusetrennwände verbessert ist.
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Um
eine Abführung einer während des Betriebes der
Batterie bzw. der Einzelzellen erzeugten Verlustwärme sicherzustellen,
sind die Einzelzellen Wärme leitend mit einer Wärmeleitplatte
verbunden sowie ober- und/oder unterseitig an dieser angeordnet.
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Da
die Wärmeleitplatte vorzugsweise aus einem sehr gut wärmeleitfähigen
und deshalb insbesondere aus einem metallischen Material gebildet
ist, ist zwischen den Einzelzellen und der Wärmeleitplatte
ein elektrisch isolierendes und wärmeleitfähiges Material
eingebracht.
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Zu
einer Vergrößerung der Wärmeabgabe der
Einzelzellen an die Wärmeleitplatte weist die Gehäusetrennwand
auf einer der Wärmeleitplatte zugewandten Seite ein zumindest
abschnittsweise über die Länge der jeweiligen
Einzelzelle hinausgehendes Seitenwandelement auf, das gegenüber
der Gehäusetrennwand in Richtung zum Zelleninneren abgewinkelt
ist. Dadurch wird eine größere Berührungsfläche
der Gehäusetrennwände mit der Wärmeleitplatte erzielt.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Wärmeleitplatte
mit einem Kühlmedium, beispielsweise einer Fahrzeugklimaanlage
oder ein separates Kühlmedium, beaufschlagbar, welches eine
effiziente Kühlung der Batterie ermöglicht.
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Gemäß einer
gewinnbringenden Weiterbildung der Erfindung weisen die Gehäuseseitenwände und/oder
die Gehäusetrennwände fahnenartige Verlängerungen
auf, welche zu einer Kopplung mit einem elektronischen Bauelement
dienen. Das elektronische Bauelement umfasst insbesondere Mittel
zu einem Zellspannungsausgleich, einer Zellspannungsüberwachung
und/oder elektrische Sicherungselemente. Somit übernimmt
die Gehäusetrennwand gleichzeitig die Funktion einer Hochspannungskontaktierung
zwischen den Einzelzellen, einer Wärmeableitung an die
Wärmeleitplatte und einer Niederspannungskontaktierung
zu dem elektronischen Bauelement.
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Alternativ
oder zusätzlich zu der Kühlung der Batterie mittels
der Wärmeleitplatte ist eine Luftkühlung verwendbar,
wobei zu diesem Zweck die Gehäuseseitenwände und/oder
die Gehäusetrennwände in ihrer Breiten- und/oder
Längenausdehnung größer als der elektrisch
isolierende Rahmen ausgebildet sind und an zumindest einer Seite über
den elektrisch isolierenden Rahmen hinausragend angeordnet sind. Dadurch
vergrößert sich eine Fläche der Gehäuseseitenwände
und/oder Gehäusetrennwände, welche mit Luft umströmbar
ist.
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Besonders
bevorzugt sind zumindest die Einzelzellen und die Wärmeleitplatte
mittels eines Spannelementes form- und/oder kraftschlüssig
miteinander verbunden, so dass ein zusätzliches Batteriegehäuse
zum Schutz, zur Positionierung der Einzelzellen zueinander und zur
Fixierung der Einzelzellen in besonders vorteilhafter Weise entfallen
kann.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung
einer Batterie mit mehreren elektrisch miteinander verschalteten
Einzelzellen, welche jeweils aus einem Elektrodenstapel gebildet
werden, dessen einzelne Elektroden unterschiedlicher Polarität,
vorzugsweise Elektrodenfolien, durch einen Separator, vorzugsweise
eine Separatorfolie, voneinander isolierend getrennt werden, werden
Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander
zu einem Pol zusammengefasst. Erfindungsgemäß werden
die Pole des Elektrodenstapels jeweils elektrisch mit einer elektrisch
leitfähigen Gehäuseseitenwand verbunden, wobei
die Gehäuseseitenwände zwischen direkt benachbart
angeordneten Einzelzellen als eine gemeinsame Gehäusetrennwand
ausgebildet sind und anhand dieser elektrisch miteinander verschaltet
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die elektrisch leitfähige Verbindung der
Pole und der Gehäuseseitenwände und/oder Gehäusetrennwände
in einem geöffneten Zustand der Einzelzelle erzeugt.
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Dabei
wird ein Zellengehäuse der Einzelzelle aus einer elektrisch
leitenden Gehäuseseitenwand und einer Gehäusetrennwand
oder zwei Gehäusetrennwänden gebildet, wobei zwischen
der Gehäuseseitenwand und der Gehäusetrennwand
bzw. zwischen den Gehäusetrennwänden ein randseitig
umlaufender sowie elektrisch isolierender Rahmen angeordnet wird.
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Unter
dem geöffneten Zustand wird insbesondere verstanden, dass
die Gehäuseseitenwände bzw. die Gehäusetrennwände
nicht an dem Rahmen befestigt sind, wobei der Elektrodenstapel in
dem Rahmen angeordnet sein kann.
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Durch
die Erzeugung der elektrisch leitfähigen Verbindung der
Polkontakte mit den Gehäuseseitenwänden bzw. den
Gehäusetrennwänden im geöffneten Zustand
der Einzelzelle besteht die Möglichkeit einer nachträglichen
der Kontrolle der Fügestelle. Weiterhin können
durch die vorgeschlagene Kontaktierung die Polkontakte des Elektrodenstapels ohne
aufwändige Abdichtungsmaßnahmen vom Inneren der
Einzelzelle nach außen geführt werden.
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Dabei
wird in einem ersten Schritt ein Pol des Elektrodenstapels elektrisch
leitfähig mit einer Gehäuseseitenwand oder einer
Gehäusetrennwand verbunden.
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Anschließend,
in einem zweiten Schritt, wird der über diesen Pol mit
der Gehäuseseitenwand oder Gehäusetrennwand elektrisch
verbundene Elektrodenstapel in dem Rahmen angeordnet und die Gehäuseseitenwand
oder Gehäusetrennwand an dem Rahmen befestigt.
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In
einem dritten Schritt wird der verbleibende Polkontakt des Elektrodenstapels
elektrisch leitfähig mit einer Gehäuseseitenwand
oder einer Gehäusetrennwand verbunden, bevor in einem vierten
Schritt die Gehäuseseitenwand oder Gehäusetrennwand, mit
welcher der verbleibende Polkontakt elektrisch leitfähig
verbunden ist, an dem Rahmen befestigt wird.
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Die
Erzeugung der elektrisch leitfähigen Verbindung der Pole
mit den Gehäuseseitenwänden bzw. Gehäusetrennwänden
sowohl vor der Anordnung als auch nach einer Anordnung des Elektrodenstapels
in dem Rahmen kann zum einen insbesondere in einem Schweißverfahren
erfolgen, wobei während des Schweißverfahrens
eine oder mehrere Schweißnähte und/oder Schweißpunkte
erzeugt werden. In bevorzugter Weise werden bei dem Schweißverfahren
die Gehäuseseitenwand bzw. die Gehäusetrennwand
sowie weiter in der Tiefe die den Pol bildenden Stromableiterfahnen
des Elektrodenstapels partiell aufgeschmolzen, so dass mit einer
Schweißnaht und/oder einem Schweißpunkt alle die
Pole bildenden Stromableiterfahnen sowie die entsprechende elektrisch
leitende Gehäuseseitenwand bzw. Gehäusetrennwand
insbesondere in einem Schritt miteinander verschweißt.
Durch die entstehende stoffschlüssige Verbindung wird eine
elektrisch leitfähige Verbindung mit einem geringen Übergangswiderstand
erzeugt, die eine hohe Strombelastbarkeit aufweist.
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Zum
anderen kann die elektrisch leitfähige Verbindung der Gehäuseseitenwände
bzw. der Gehäusetrennwände und der Pole in einem
kombinierten Schweiß-Press-Fügeverfahren, z. B.
einem Ultraschall-Schweißverfahren, erzeugt werden. Dadurch wird
zusätzlich zu den Vorteilen des Schweißprozesses
einerseits durch die Verpressung ein sicherer Fügeprozess
erzielt und andererseits durch das Ultraschall-Schweißverfahren
ein Wärmeeintrag in den Elektrodenstapel vermieden oder
zumindest vermindert.
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Die
Befestigung der Gehäuseseitenwände und/oder Gehäusetrennwände
an dem Rahmen wird vorzugsweise mittels form-, stoff- und/oder kraftschlüssig
Verbindungen, beispielsweise anhand von Kleb- und/oder Schweißverbindungen,
erzeugt, so dass das Gehäuse in vorteilhafter Weise flüssigskeits-
und/oder gasdicht ausgebildet ist und somit der Elektrodenstapel
vor äußeren mechanischen und chemischen Einwirkungen
geschützt ist.
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Durch
eine oder mehrere der genannten Maßnahmen ist es möglich,
bei einer preiswerten Herstellung den Aufbau eines Zellengehäuses
zu vereinfachen, die Vibrationssicherheit und damit die Stabilität,
die Lebensdauer sowie dadurch wiederum auch die Verwendungsvielfalt
zu erhöhen. Des Weiteren ist durch die einfache Kontaktierung
an der geöffneten Einzelzelle eine Kontrolle der Fügestelle möglich,
so dass insbesondere auch der Ausschuss während der Herstellung
verringert wird. Ferner wird durch die stoffschlüssige
Kontaktierung der Stromableiterfahnen zur Bildung der Polkontakte
und der stoffschlüssigen Verbindung dieser mit den Gehäuseseitenwänden
die Stromtragfähigkeit verbessert. Auch liegt keine Schwächung
der Druckdichtigkeit des Zellengehäuses der Einzelzelle
vor, da keine Kontaktdurchführung der Polkontakte erfolgt.
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Die
erfindungsgemäße Batterie eignet sich aufgrund
ihrer Eigenschaften insbesondere zu einer Verwendung in einem Fahrzeug,
insbesondere einem Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 schematisch
eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle mit einem Elektrodenstapel,
einem elektrisch isolierenden Rahmen und einer Gehäusetrennwand,
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2 schematisch
die Einzelzelle gemäß 1 in einem
montierten Zustand,
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3 schematisch
einen Zellverbund mehrerer Einzelzellen gemäß 1 in
einer ersten perspektivischen Ansicht, wobei zwei Einzelzellen in
einem geöffneten Zustand während einer elektrischen Verbindung
von Polen des Elektrodenstapels mit einer Gehäusetrennwand
dargestellt sind,
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4 schematisch
den Zellverbund gemäß 3 in einer
zweiten perspektivischen Ansicht,
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5 schematisch
eine aus mehreren Einzelzellen gebildete Batterie mit einer Wärmeleitplatte,
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6 schematisch
eine Schnittdarstellung eines Abschnittes der Batterie gemäß 5 parallel zur
Wärmeleitplatte,
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7 schematisch
eine Schnittdarstellung der Batterie gemäß 5 senkrecht
zur Wärmeleitplatte, und
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8 schematisch
einen Zellverbund mehrerer Einzelzellen, welche zu einer Luftkühlung
ausgebildet sind.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 und 2 zeigen
eine Einzelzelle 1 in einer Explosionsdarstellung bzw.
in einem montierten Zustand.
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Die
Einzelzelle 1 umfasst einen in einem Zellengehäuse
angeordneten Elektrodenstapel 2, wobei das Zellengehäuse
eine Gehäusetrennwand 3 und eine zweite in den 3 bis 7 näher
dargestellte weitere Gehäusetrennwand 3, insbesondere
Flachseiten, und einen dazwischen angeordneten, randseitig umlaufenden
sowie elektrisch isolierenden Rahmen 4 aufweist.
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Die
Gehäusetrennwand 3 weist eine fahnenartige Verlängerung 3.1 auf,
wobei diese nach einem Zusammenfügen zu einer Batterie 6 gemäß 5 zu einer
elektrischen Kopplung mit einem nicht näher dargestellten
elektronischen Bauelement dienen, welches insbesondere Mittel für
eine Zellspannungsüberwachung, einen Zellspannungsausgleich und/oder
elektrischen Sicherungselemente umfasst.
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Der
Elektrodenstapel 2 ist dabei insbesondere aus nicht näher
dargestellten Elektrodenfolien gebildet, wobei in einem mittleren
Bereich des Elektrodenstapels 2 Elektrodenfolien unterschiedlicher
Polarität, insbesondere Aluminium- und/oder Kupferfolien
und/oder Folien aus einer Metalllegierung, übereinander
gestapelt und mittels eines nicht näher dargestellten Separators,
insbesondere einer Separatorfolie, elektrisch voneinander isoliert
sind.
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In
einem über den mittleren Bereich des Elektrodenstapels 2 überstehenden
Randbereich der Elektrodenfolien, den Stromableiterfahnen 2.1,
sind Elektrodenfolien gleicher Polarität elektrisch miteinander
verbunden und bilden die Pole P des Elektrodenstapels 2.
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Durch
die elektrisch isolierende Ausführung des Rahmens 4 sind
die aus den Stromableiterfahnen 2.1 gebildeten Polkontakte
P unterschiedlicher Polarität elektrisch voneinander isoliert,
so dass in vorteilhafter Weise auf zusätzliche Anordnungen
zu einer elektrischen Isolation verzichtet werden kann.
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Der
Rahmen 4 weist weiterhin Materialausnehmungen 4.1 auf,
welche zu einer Anordnung von Spannelementen 8 gemäß 5 zur
Bildung einer Batterie 6 dienen.
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In 3 und 4 sind
mehrere Einzelzellen 1 in verschiedenen perspektivischen
Ansichten dargestellt, wobei zwei Einzelzellen 1 in einem
geöffneten Zustand während einer elektrischen
Verbindung der Pole P eines Elektrodenstapels 2 mit einer Gehäusetrennwand 3 und
eine Anordnung einer dazu verwendeten Schweißvorrichtung 5 dargestellt sind.
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Zu
einer Kontaktierung des Elektrodenstapels 2 nach außerhalb
der Einzelzelle 1, sind dessen Pole P jeweils mit einer
Gehäusetrennwand 3 elektrisch verbunden, wobei
direkt benachbart angeordnete Einzelzellen 1 eine gemeinsam
genutzte Gehäusetrennwand 3 aufweisen und anhand
dieser elektrisch miteinander verbunden sind.
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Die
elektrisch leitfähige Verbindung der Pole P und der Gehäusetrennwände 3 wird
im gezeigten geöffneten Zustand der Einzelzelle 1 erzeugt.
Dabei stellt der dargstellte geöffnete Zustand insbesondere einen
Zustand dar, in welchem die Gehäusetrennwände 3 nicht
an dem Rahmen 4 befestigt sind und der Elektrodenstapel 2 durch
den Rahmen 4 geführt bzw. in diesem angeordnet
ist.
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Zur
Erzeugung dieser elektrisch leitfähigen Verbindung sind
die Gehäusetrennwände 3 und die jeweiligen
Pole P der Elektrodenstapel 2 miteinander verpresst und/oder
verschweißt.
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Das
dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die
Schweißvorrichtung 5, bei welcher es insbesondere
um eine Ultraschall-Schweißvorrichtung handelt, die aus
einer Sonotrode 5.1 und einem Amboss 5.2 gebildet
ist.
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Zur
elektrisch leitfähigen Verbindung der Polkontakte P mit
den Gehäusetrennwänden 3 werden die Stromableiterfahnen 2.1,
welche die Pole P des Elektrodenstapels 2 bilden, übereinander
gestapelt und plan auf den Innenseiten der jeweils zugehörigen Gehäusetrennwand 3 aufgelegt.
Eine dabei notwendig relative Biegung der Stromableiterfahnen 2.1 zu dem
mittleren Bereich des Elektrodenstapels 2 wird durch die
Flexibilität der verwendeten Elektrodenfolien erreicht.
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Zu
einem Verschweißen der Stromableiterfahnen 2.1 zu
den Polen P und zu einem gleichzeitigen Verschweißen dieser
mit den Gehäusetrennwänden 3 werden die
auf den Innenseiten der Gehäusetrennwände 3 aufliegenden
Pole P und die Gehäusetrennwände 3 zwischen
der Sonotrode 5.1 und dem Amboss 5.2 der Schweißvorrichtung 5 angeordnet und
durch eine eingeführte Presskraft verpresst. Gleichzeitig
erzeugt die Sonotrode 5.1 eine Schwingung mit einer Frequenz
im Ultraschallbereich, so dass die Pole P und die Gehäusetrennwände 3 unter großer
Reibung gegeneinander bewegt werden. Durch eine dabei entstehende
große Reibungshitze entsteht eine nicht näher
dargestellte Schweißnaht oder ein nicht näher
dargestellter Schweißpunkt, so dass eine stoffschlüssige
und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Polen
P und den Gehäusetrennwänden 3 entsteht.
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Eine
flächige elektrisch leitfähige Verbindung der
Gehäusetrennwände 3 mit den Polen P wird
insbesondere durch mehrere in Reihe und/oder parallel angeordnete
Schweißnähte und/oder Schweißpunkte erzielt.
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Neben
dem Ultraschall-Schweißverfahren eignen sich zur Erzeugung
alternativ weitere, nicht näher dargestellte, im Stand
der Technik bekannte Schweiß-Press-Fügeverfahren.
Dabei kann es sich beispielsweise um ein Kondensatorentladungs-Schweißen,
ein Widerstands-Press-Schweißen, Laser-Press-Schweißen,
ein elektrisches Punktschweißen oder ein elektrisches Rollnahtschweißen
handeln.
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Gemäß einer
nicht näher dargestellten Weiterführung der Erfindung
werden die Stromableiterfahnen 2.1 in einem gesonderten
Verfahren vor der Erzeugung der elektrisch leitfähigen
Verbindung mit den Gehäusetrennwänden 3 zu
den Polkontakten P verpresst und/oder verschweißt.
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In
einer weiteren nicht näher dargstellten Ausgestaltung der
Erfindung ist zwischen den Polen P, welche z. B. aus Kupfer gefertigt
sind, und den Gehäusetrennwänden 3, welche
z. B. aus Aluminium gefertigt sind, zusätzlich eine nicht
näher dargestellte separate Folie, welche z. B. ebenfalls
aus Kupfer oder aus Nickel gefertigt ist, eingebracht, um eine verbesserte
Anbindung zwischen den Polen P und den Gehäusetrennwänden 3 während
des Schweißvorganges zu erreichen. Diese Folie bzw. Schicht kann
alternativ ebenfalls auf die den Polkontakten P zugewandten Seiten
der Gehäusetrennwände 3 aufgebracht sein, wobei
die Folie bzw. Schicht vorzugsweise auf die Gehäusetrennwände 3 aufgewalzt
oder elektrochemisch aufgebracht ist.
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Alternativ
ist auch die Verwendung von aus Kupfer gefertigten Gehäusetrennwänden 3 möglich, wobei
zwischen Polen P, welche aus Aluminium gefertigt sind, eine separate
Folie aus Aluminium oder Nickel angeordnet ist. Weiterhin kann die
Folie bzw. Schicht aus Aluminium oder Nickel wiederum auf die Gehäusetrennwände 3 aufgewalzt
oder elektrochemisch aufgebracht sein.
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In
einer weiteren nicht näher dargestellten Weiterbildung
der Erfindung sind die Gehäusetrennwände 3 jeweils
aus zwei form-, kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander
verbundenen, beispielsweise zusammengewalzten, Blechen gebildet,
wobei die einem aus Aluminium gebildeten Pol P zugewandte Seite
vorzugsweise aus Aluminium und die einem aus Kupfer gebildeten Pol
P zugewandte Seite vorzugsweise aus Kupfer gebildet ist.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es weiterhin möglich,
eine nicht näher dargestellte elektrisch isolierende Folie
zwischen den Polen P und den Gehäusetrennwänden 3 anzuordnen
bzw. die Gehäusetrennwände 3 einseitig
mit einer elektrischen isolierenden Schicht auszuführen,
so dass eine elektrische Kontaktierung der Pole P mit den Gehäusetrennwänden 3 erst
bei dem Schweißvorgang entsteht. Diese isolierende Folie
bzw. Schicht dient vorzugsweise weiterhin zum Schutz der Gehäusetrennwände 3 vor
Korrosion, beispielsweise hervorgerufen durch einen Kontakt mit
einem in der Einzelzelle 1 befindlichen Elektrolyt.
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Nach
der elektrischen Verbindung des Pols P des Elektrodenstapels 2 und
der Gehäusetrennwand 3 wird der Elektrodenstapel 2 durch
den Rahmen 4 geführt und die Gehäusetrennwand 3,
welche bereits mit dem Pol P elektrisch verbunden ist, wird an dem Rahmen
vorzugsweise stoff-, form- und/oder kraftschlüssig befestigt.
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Eine
derartige stoff-, form- und/oder kraftschlüssige Befestigung
erfolgt in nicht näher dargestellter Weise z. B. mittels
Kleben und/oder Verbindungselementen, um eine hohe Stabilität
der Verbindung zwischen den Gehäusetrennwänden 3 und dem
Rahmen 4 zu erreichen.
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Bei
den Verbindungselementen handelt es sich insbesondere um Nieten,
den Rahmen 4 zumindest randseitig umgreifende fahnenartige
Verlängerungen der Gehäusetrennwände 3 und/oder
an dem Rahmen angeformte Halteelemente. Zur Erzeugung der form-
und/oder kraftschlüssigen Verbindung weisen die Gehäusetrennwände 3 und/oder
der Rahmen 4 vorzugsweise nicht näher dargestellte,
zu den jeweiligen Verbindungselementen korrespondierende Formen
oder Aussparungen auf.
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Aus
der stoff-, form- und/oder kraftschlüssigen Befestigung
der Gehäusetrennwände 3 an dem Rahmen 4 resultiert
neben der hohen Stabilität eine dichte Ausführung
des Zellengehäuses, so dass keine Fremdstoffe in dieses
eindringen können. Weiterhin ist sichergestellt, dass ein
nach der Befestigung der Gehäusetrennwände 3 an
dem Rahmen 4 eingefülltes Elektrolyt nicht austreten
kann und ein Umfeld der aus den Einzelzellen 1 gebildeten,
nicht näher dargestellten Batterie schädigt. Zur
Einfüllung des Elektrolyts weist der Rahmen 4 vorzugsweise
eine nicht näher dargestellte Einfüllöffnung
auf, welche nach dem Einfüllen verschließbar ist.
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Nach
der Befestigung der Gehäusetrennwand 3 an dem
Rahmen 4 wird der verbleibende Pol P des Elektrodenstapels 2 elektrisch
leitfähig mittels der Schweißvorrichtung 5 an
einer weiteren, nicht näher dargestellten Gehäusetrennwand 3 befestigt, welche
wiederum an einem nicht näher dargestellten Rahmen 4 einer
darauf folgenden Einzelzelle 1 befestigt wird.
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5 zeigt
eine aus mehreren Einzelzellen 1 gebildete Batterie 6 mit
einer Wärmeleitplatte 7. Zu einer Ableitung einer
während des Betriebes der Batterie 6, insbesondere
während eines Lade- und Entladevorganges dieser, erzeugten
Verlustwärme sind die Einzelzellen 1 Wärme
leitend mit der Wärmeleitplatte 7 verbunden und
oberseitig an dieser angeordnet. In weiteren nicht näher
dargestellten Weiterbildungen der Erfindung ist auch eine unterseitige
Anordnung der Einzelzellen 1 an der Wärmeleitplatte 7 möglich.
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Da
die Wärmeleitplatte 7 vorzugsweise aus einem sehr
gut wärmeleitfähigen und deshalb insbesondere
aus einem metallischen Material gebildet ist, ist zwischen den Einzelzellen 1 und
der Wärmeleitplatte 7 vorzugsweise ein nicht näher
dargestelltes elektrisch isolierendes und wärmeleitfähiges
Material, beispielsweise eine Wärmeleitfolie, eingebracht.
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Weiterhin
ist die Wärmeleitplatte 7 für eine hohe
Wärmeabgabe vorzugsweise von einem Kühlmedium,
beispielsweise einem Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage,
durchströmbar, wobei die Wärmeleitplatte 7 Anschlusselemente 7.1 zur
Einbindung in einen derartigen Kühlkreislauf aufweist.
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Zu
einer sicheren Anordnung der Einzelzellen 1 zueinander
und an der Wärmeleitplatte 7 sind zwei Spannelemente 8,
insbesondere Spannbänder, vorgesehen, welche den aus den
Einzelzellen 1 gebildeten Zellverbund sicher an der Wärmeleitplatte 7 fixieren
und einen Entfall eines zusätzlichen Batteriegehäuses
ermöglichen.
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Um
eine Verschiebung der Spannelemente 8 zu vermeiden, weisen
sowohl die Rahmen 4 der Einzelzellen 1 als auch
die Wärmeleitplatte 7 zu den Spannelementen 8 korrespondierende
Materialausnehmungen 4.1 und 7.2 auf.
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6 zeigt
eine Schnittdarstellung eines Abschnittes der Batterie 6 gemäß 5 parallel
zur Wärmeleitplatte 7, welche die Anordnung der
Einzelzellen 1 zueinander und die Anordnung der Elektrodenstapel 12 in
den Zellgehäusen verdeutlicht.
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In 7 zeigt
eine Schnittdarstellung der Batterie 6 gemäß 5 senkrecht
zur Wärmeleitplatte 7, wobei aus Vereinfachungsgründen
lediglich ein Elektrodenstapel 2 die Wärmeleitplatte 7 dargestellt und
die Wärmeleitplatte 7 nicht gezeigt ist.
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Um
eine weiter verbesserte Wärmeübertragung von den
Einzelzellen 1 in die Wärmeleitplatte 7 zu
erzielen, weisen die Gehäusetrennwände 3 auf
einer der Wärmeleitplatte 7 zugewandten Seite
jeweils ein zumindest abschnittsweise über die Länge
der jeweiligen Einzelzelle 1 hinausgehendes Seitenwandelement 3.2 auf,
welches gegenüber der Gehäusetrennwand in Richtung
zum Zellinneren abgewinkelt ist. Dadurch wird eine größere
Berührungsfläche der Zelltrennwände 3 mit
der Wärmeleitplatte 7 erzielt.
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Weiterhin
wird aus der 7 ersichtlich, dass die letzte,
d. h. die linke Einzelzelle 1 eine Zelltrennwand 3 mit
abgewinkeltem Seitenwandelement 3.2 und eine Gehäuseseitenwand 9 ohne
abgewinkeltes Seitenwandelement aufweist.
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Auch
die Gehäuseseitenwand 9 umfasst eine fahnenartige
Verlängerung 9.1 zur elektrischen Verbindung mit
dem elektronischen Bauelement und wird gemäß den
Gehäusetrennwänden 3 mit dem Polkontakt
P des Elektrodenstapels 2 und dem Rahmen elektrisch isolierenden
Rahmen 4 verbunden.
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8 zeigt
eine alternative Ausführung, wobei der dargestellte, aus
mehreren Einzelzellen 1 gebildete Zellverbund zu einer
Luftkühlung vorgesehen ist. Zu diesem Zweck sind die Gehäusetrennwände 3 in
ihrer Höhenausdehnung größer als der
elektrisch isolierende Rahmen 4 der Einzelzellen 1 ausgebildet, so
dass diese an einer Seite über den Rahmen 4 hinausragend
angeordnet sind.
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Zu
einer Kühlung mit Luft umströmt diese die verlängerten
Zelltrennwände 3, so dass die erzeugte Verlustwärme
abführbar ist.
-
In
weiteren nicht näher dargestellten Weiterbildungen der
Erfindung können die Gehäusetrennwände 3 alternativ
derart ausgebildet sein, dass sie über mehrere Seiten des
Rahmens 4 hinausragen. Weiterhin ist eine Kombination aus
Luftkühlung und einer Kühlung mittels der Wärmeleitplatte 7 möglich.
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- 1
- Einzelzelle
- 2
- Elektrodenstapel
- 2.1
- Stromableiterfahne
- 3
- Gehäusetrennwand
- 3.1
- Fahnenartige
Verlängerung
- 3.2
- Seitenwandelement
- 4
- Rahmen
- 4.1
- Materialausnehmung
- 5
- Schweißvorrichtung
- 5.1
- Sonotrode
- 5.2
- Amboss
- 6
- Batterie
- 7
- Wärmeleitplatte
- 7.1
- Anschlusselement
- 7.2
- Materialausnehmung
- 8
- Spannelement
- 9
- Gehäuseseitenwand
- 9.1
- Fahnenartige
Verlängerung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005042916
A1 [0003]
- - US 5871861 A1 [0004]
- - US 6908711 B2 [0005]